PCB l’empilement est un facteur important pour déterminer les performances CEM des produits. Une bonne stratification peut être très efficace pour réduire le rayonnement de la boucle PCB (émission en mode différentiel), ainsi que des câbles connectés à la carte (émission en mode commun).

D’autre part, une mauvaise cascade peut augmenter considérablement le rayonnement des deux mécanismes. Quatre facteurs sont importants pour la prise en compte de l’empilement des plaques :

1. Nombre de couches ;

2. Le nombre et le type de couches utilisées (puissance et/ou terre) ;

3. L’ordre ou la séquence des couches ;

4. L’intervalle entre les couches.

Généralement, seul le nombre de couches est pris en compte. Dans de nombreux cas, les trois autres facteurs sont tout aussi importants, et le quatrième n’est parfois même pas connu du concepteur de PCB. Lors de la détermination du nombre de couches, tenez compte des éléments suivants :

1. Quantité de signal et coût du câblage ;

2. Fréquence ;

3. Le produit doit-il répondre aux exigences de lancement de la classe A ou de la classe B ?

4. Le PCB est dans un boîtier blindé ou non blindé ;

5. Expertise en ingénierie CEM de l’équipe de conception.

En général, seul le premier terme est pris en compte. En effet, tous les éléments étaient vitaux et devaient être considérés de la même manière. Ce dernier élément est particulièrement important et ne doit pas être négligé si une conception optimale doit être réalisée en un minimum de temps et d’argent.

Une plaque multicouche utilisant un plan de masse et/ou de puissance permet une réduction significative des émissions de rayonnement par rapport à une plaque bicouche. Une règle générale utilisée est qu’une plaque à quatre plis produit 15 dB de rayonnement de moins qu’une plaque à deux plis, tous les autres facteurs étant égaux. Une planche avec une surface plane est bien meilleure qu’une planche sans surface plane pour les raisons suivantes :

1. Ils permettent d’acheminer les signaux sous forme de lignes microruban (ou lignes ruban). Ces structures sont des lignes de transmission à impédance contrôlée avec beaucoup moins de rayonnement que le câblage aléatoire utilisé sur les cartes à deux couches ;

2. Le plan de masse réduit considérablement l’impédance de masse (et donc le bruit de masse).

Bien que deux plaques aient été utilisées avec succès dans des boîtiers non blindés de 20-25 MHz, ces cas sont l’exception plutôt que la règle. Au-dessus d’environ 10-15mhz, les panneaux multicouches doivent généralement être envisagés.

Il y a cinq objectifs que vous devriez essayer d’atteindre lorsque vous utilisez une carte multicouche. Ils sont les suivants:

1. La couche de signal doit toujours être adjacente au plan ;

2. La couche de signal doit être étroitement couplée (près de) à son plan adjacent ;

3, le plan de puissance et le plan de masse doivent être étroitement combinés;

4, le signal à grande vitesse doit être enterré dans la ligne entre deux avions, l’avion peut jouer un rôle de blindage et peut supprimer le rayonnement de la ligne imprimée à grande vitesse;

5. Les plans de mise à la terre multiples présentent de nombreux avantages car ils réduiront l’impédance de mise à la terre (plan de référence) de la carte et réduiront le rayonnement de mode commun.

En général, nous sommes confrontés à un choix entre le couplage de proximité signal/plan (objectif 2) et le couplage de proximité puissance/plan de masse (objectif 3). Avec les techniques conventionnelles de construction de PCB, la capacité de la plaque plate entre l’alimentation électrique adjacente et le plan de masse est insuffisante pour fournir un découplage suffisant en dessous de 500 MHz.

Par conséquent, le découplage doit être abordé par d’autres moyens, et nous devons généralement choisir un couplage étroit entre le signal et le plan de retour actuel. Les avantages d’un couplage étroit entre la couche de signal et le plan de retour de courant l’emporteront sur les inconvénients causés par une légère perte de capacité entre les plans.

Huit couches est le nombre minimum de couches qui peuvent être utilisées pour atteindre ces cinq objectifs. Certains de ces objectifs devront être compromis sur des planches à quatre et six plis. Dans ces conditions, vous devez déterminer quels objectifs sont les plus importants pour la conception en cours.

Le paragraphe ci-dessus ne doit pas être interprété comme signifiant que vous ne pouvez pas faire une bonne conception CEM sur une carte à quatre ou six niveaux, comme vous le pouvez. Cela montre simplement que tous les objectifs ne peuvent pas être atteints en même temps et qu’une sorte de compromis est nécessaire.

Étant donné que tous les objectifs CEM souhaités peuvent être atteints avec huit couches, il n’y a aucune raison d’utiliser plus de huit couches, sauf pour accueillir des couches de routage de signal supplémentaires.

D’un point de vue mécanique, un autre objectif idéal est de rendre la section transversale de la carte PCB symétrique (ou équilibrée) pour éviter le gauchissement.

Par exemple, sur une planche à huit couches, si la deuxième couche est un plan, la septième couche doit également être un plan.

Par conséquent, toutes les configurations présentées ici utilisent des structures symétriques ou équilibrées. Si des structures asymétriques ou déséquilibrées sont autorisées, il est possible de construire d’autres configurations en cascade.

Panneau à quatre couches

La structure de plaque à quatre couches la plus courante est illustrée à la figure 1 (le plan d’alimentation et le plan de masse sont interchangeables). Il se compose de quatre couches régulièrement espacées avec un plan d’alimentation interne et un plan de masse. Ces deux couches de câblage externes ont généralement des directions de câblage orthogonales.

Bien que cette construction soit bien meilleure que les panneaux doubles, elle présente des caractéristiques moins souhaitables.

Pour la liste des cibles de la partie 1, cette pile ne satisfait que la cible (1). Si les couches sont également espacées, il y a un grand écart entre la couche de signal et le plan de retour actuel. Il y a aussi un grand écart entre le plan de puissance et le plan de masse.

Pour une planche à quatre plis, nous ne pouvons pas corriger les deux défauts en même temps, nous devons donc décider lequel est le plus important pour nous.

Comme mentionné précédemment, la capacité intercouche entre l’alimentation électrique adjacente et le plan de masse est insuffisante pour fournir un découplage adéquat en utilisant des techniques de fabrication de PCB classiques.

Le découplage doit être géré par d’autres moyens, et nous devons choisir un couplage étroit entre le signal et le plan de retour actuel. Les avantages d’un couplage étroit entre la couche de signal et le plan de retour de courant l’emporteront sur les inconvénients d’une légère perte de capacité intercouche.

Par conséquent, le moyen le plus simple d’améliorer les performances CEM de la plaque à quatre couches est d’amener la couche de signal aussi près que possible du plan. 10mil), et utilise un grand noyau diélectrique entre la source d’alimentation et le plan de masse (> 40mil), comme le montre la figure 2.

Cela présente trois avantages et peu d’inconvénients. La zone de boucle de signal est plus petite, donc moins de rayonnement de mode différentiel est généré. Dans le cas d’un intervalle de 5 mils entre la couche de câblage et la couche plane, une réduction de rayonnement de boucle de 10 dB ou plus peut être obtenue par rapport à une structure empilée également espacée.

Deuxièmement, le couplage étroit du câblage de signal à la terre réduit l’impédance plane (inductance), réduisant ainsi le rayonnement de mode commun du câble connecté à la carte.

Troisièmement, le couplage étroit du câblage à l’avion réduira la diaphonie entre le câblage. Pour un espacement de câble fixe, la diaphonie est proportionnelle au carré de la hauteur du câble. C’est l’un des moyens les plus simples, les moins chers et les plus négligés de réduire le rayonnement d’un PCB à quatre couches.

Par cette structure en cascade, nous satisfaisons à la fois les objectifs (1) et (2).

Quelles sont les autres possibilités pour la structure stratifiée à quatre couches ? Eh bien, nous pouvons utiliser un peu une structure non conventionnelle, à savoir la commutation de la couche de signal et de la couche plane sur la figure 2 pour produire la cascade illustrée sur la figure 3A.

Le principal avantage de cette stratification est que le plan externe fournit un blindage pour le routage du signal sur la couche interne. L’inconvénient est que le plan de masse peut être fortement coupé par les plots des composants haute densité sur le PCB. Cela peut être atténué dans une certaine mesure en inversant le plan, en plaçant le plan d’alimentation sur le côté de l’élément et en plaçant le plan de masse de l’autre côté de la planche.

Deuxièmement, certaines personnes n’aiment pas avoir un plan d’alimentation exposé, et troisièmement, les couches de signal enterrées rendent difficile le remaniement de la carte. La cascade satisfait les objectifs (1), (2) et satisfait partiellement l’objectif (4).

Deux de ces trois problèmes peuvent être atténués par une cascade, comme illustré sur la figure 3B, où les deux plans extérieurs sont des plans de masse et l’alimentation est acheminée sur le plan de signal en tant que câblage.L’alimentation doit être routée en mode raster à l’aide de larges traces dans la couche de signal.

Deux avantages supplémentaires de cette cascade sont :

(1) Les deux plans de masse fournissent une impédance de masse beaucoup plus faible, réduisant ainsi le rayonnement du câble en mode commun ;

(2) Les deux plans de masse peuvent être cousus ensemble à la périphérie de la plaque pour sceller toutes les traces de signal dans une cage de Faraday.

D’un point de vue CEM, cette stratification, si elle est bien faite, peut être la meilleure stratification d’un PCB à quatre couches. Maintenant, nous avons atteint les objectifs (1), (2), (4) et (5) avec une seule planche à quatre couches.

La figure 4 montre une quatrième possibilité, pas celle habituelle, mais qui peut bien fonctionner. Ceci est similaire à la figure 2, mais le plan de masse est utilisé à la place du plan d’alimentation et l’alimentation agit comme une trace sur la couche de signal pour le câblage.

Cette cascade surmonte le problème de reprise mentionné ci-dessus et fournit également une faible impédance de masse due aux deux plans de masse. Cependant, ces avions ne fournissent aucun blindage. Cette configuration satisfait les objectifs (1), (2) et (5), mais ne satisfait pas les objectifs (3) ou (4).

Ainsi, comme vous pouvez le voir, il existe plus d’options pour la stratification à quatre couches que vous ne le pensez initialement, et il est possible d’atteindre quatre de nos cinq objectifs avec des PCB à quatre couches. D’un point de vue CEM, la superposition des figures 2, 3b et 4 fonctionne bien.

Panneau de couche 6

La plupart des cartes à six couches se composent de quatre couches de câblage de signaux et de deux couches planes, et les cartes à six couches sont généralement supérieures aux cartes à quatre couches du point de vue de la CEM.

La figure 5 montre une structure en cascade qui ne peut pas être utilisée sur une carte à six couches.

Ces plans ne fournissent pas de blindage pour la couche de signal, et deux des couches de signal (1 et 6) ne sont pas adjacentes à un plan. Cet arrangement ne fonctionne que si tous les signaux haute fréquence sont acheminés aux couches 2 et 5, et que seuls les signaux à très basse fréquence, ou mieux encore, aucun fil de signal (juste des plots de soudure) ne sont acheminés aux couches 1 et 6.

Si elles sont utilisées, toutes les zones inutilisées des étages 1 et 6 doivent être pavées et des viaS attachés au rez-de-chaussée dans autant d’endroits que possible.

Cette configuration ne satisfait qu’un de nos objectifs initiaux (Objectif 3).

Avec six couches disponibles, le principe consistant à fournir deux couches enterrées pour les signaux à grande vitesse (comme illustré à la figure 3) est facilement mis en œuvre, comme illustré à la figure 6. Cette configuration fournit également deux couches de surface pour les signaux à faible vitesse.

C’est probablement la structure à six couches la plus courante et elle peut être très efficace pour contrôler les émissions électromagnétiques si elle est bien faite. Cette configuration satisfait l’objectif 1,2,4, mais pas l’objectif 3,5. Son principal inconvénient est la séparation du plan de puissance et du plan de masse.

En raison de cette séparation, il n’y a pas beaucoup de capacité interplan entre le plan d’alimentation et le plan de masse, une conception de découplage soigneuse doit donc être entreprise pour faire face à cette situation. Pour plus d’informations sur le découplage, consultez nos conseils techniques de découplage.

Une structure stratifiée à six couches presque identique et bien conçue est illustrée à la figure 7.

H1 représente la couche de routage horizontal du signal 1, V1 représente la couche de routage vertical du signal 1, H2 et V2 représentent la même signification pour le signal 2, et l’avantage de cette structure est que les signaux de routage orthogonal se réfèrent toujours au même plan.

Pour comprendre pourquoi cela est important, voir la section sur les plans signal-référence dans la partie 6. L’inconvénient est que les signaux des couches 1 et 6 ne sont pas blindés.

Par conséquent, la couche de signal doit être très proche de son plan adjacent et une couche centrale plus épaisse doit être utilisée pour compenser l’épaisseur de plaque requise. L’espacement typique des plaques de 0.060 pouces d’épaisseur est susceptible d’être de 0.005 “/ 0.005” / 0.040 “/ 0.005” / 0.005 “/ 0.005”. Cette structure satisfait les objectifs 1 et 2, mais pas les objectifs 3, 4 ou 5.

Une autre plaque à six couches avec d’excellentes performances est illustrée à la figure 8. Il fournit deux couches enterrées de signaux et des plans d’alimentation et de masse adjacents pour atteindre les cinq objectifs. Cependant, le plus gros inconvénient est qu’il n’a que deux couches de câblage, il n’est donc pas utilisé très souvent.

Une plaque à six couches est plus facile à obtenir une bonne compatibilité électromagnétique qu’une plaque à quatre couches. Nous avons également l’avantage de quatre couches de routage du signal au lieu d’être limité à deux.

Comme ce fut le cas avec le circuit imprimé à quatre couches, le PCB à six couches a atteint quatre de nos cinq objectifs. Les cinq objectifs peuvent être atteints si nous nous limitons à deux couches de routage du signal. Les structures de la figure 6, de la figure 7 et de la figure 8 fonctionnent toutes bien du point de vue de la CEM.